液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)用步進(jìn)電機(jī)力矩加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 華，常 瑩

（西安航天計(jì)量測(cè)試研究所，陜西西安710100）

液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)用步進(jìn)電機(jī)力矩加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 華，常 瑩

（西安航天計(jì)量測(cè)試研究所，陜西西安710100）

介紹了液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)用步進(jìn)電機(jī)力矩加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，描述了以磁粉制動(dòng)器為加載核心的電機(jī)力矩加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件、軟件設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)描述了力矩加載系統(tǒng)的模糊PI控制算法，將PI控制參數(shù)進(jìn)行了模糊化和解模糊處理，制定了模糊推理規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了力矩加載系統(tǒng)PI控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高了步進(jìn)電機(jī)力矩加載系統(tǒng)的加載精度。實(shí)際應(yīng)用證明：研發(fā)的電機(jī)力矩加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)用電機(jī)的模擬加載和電機(jī)參數(shù)的測(cè)量，滿足了電機(jī)的測(cè)試要求。

液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；力矩加載系統(tǒng)；磁粉制動(dòng)器

0 引言

液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為新一代重型運(yùn)載火箭的動(dòng)力裝置，采用流量調(diào)節(jié)器和燃料節(jié)流閥來(lái)進(jìn)行推力調(diào)節(jié)和混合比調(diào)節(jié)。流量調(diào)節(jié)器及燃料節(jié)流閥的工況調(diào)節(jié)是由步進(jìn)電機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1]。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作的可靠性及調(diào)節(jié)的有效性，需要對(duì)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)用步進(jìn)電機(jī)在投入使用前進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)模擬工況下的地面測(cè)試，利用力矩加載裝置對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行模擬加載并準(zhǔn)確測(cè)試電機(jī)的性能指標(biāo)，這對(duì)于火箭的控制精度及準(zhǔn)確性十分重要，是保證火箭控制精度和性能的必要前提。

力矩加載裝置實(shí)現(xiàn)的主要方式是電動(dòng)伺服加載磁和粉制動(dòng)器加載等。電動(dòng)伺服加載采用直流電機(jī)或交流電機(jī)作為加載核心，具有響應(yīng)速度快、運(yùn)行平穩(wěn)、動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，并且可進(jìn)行反拖加載，具備靜態(tài)力矩加載能力，主要用于高轉(zhuǎn)速、大功率場(chǎng)合，在低速小力矩工作情況下加載精度較差；磁粉制動(dòng)器具有實(shí)時(shí)可控性好、簡(jiǎn)單易行、可以連續(xù)加載以及大小功率可適應(yīng)、在工作線性區(qū)內(nèi)輸出力矩平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間未運(yùn)行磁粉鏈斷開會(huì)導(dǎo)致初始制動(dòng)力矩不穩(wěn)定。針對(duì)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)低轉(zhuǎn)速低功率的實(shí)際工況，選用磁粉制動(dòng)器作為加載核心。目前利用磁粉制動(dòng)器進(jìn)行加載的方法常用的有兩種：手動(dòng)控制法和PI調(diào)節(jié)器控制法[2]。現(xiàn)有的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)力矩加載裝置采用手動(dòng)調(diào)節(jié)控制輸出，輸出力矩允差為±5%F·S，使其模擬的力矩環(huán)境與實(shí)際有較大差距；而采用PI控制器的力矩加載裝置雖然具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是魯棒性較差，需要基于精確的數(shù)學(xué)模型，但是由于磁粉制動(dòng)器具有磁滯非線性特性，使得其加載精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在很大的誤差，而模糊PI控制算法不需要精確的數(shù)學(xué)模型便可實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整[3]，為此，本文設(shè)計(jì)的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)力矩加載系統(tǒng)通過(guò)磁粉均勻化處理，解決了長(zhǎng)時(shí)間未運(yùn)行磁粉鏈斷裂、不均勻的問(wèn)題，采用模糊PI控制算法，提高了步進(jìn)電機(jī)力矩加載系統(tǒng)的加載精度。

1 力矩加載系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)用步進(jìn)電機(jī)的力矩加載系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：1）對(duì)被測(cè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)力矩的加載，用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況；2）實(shí)時(shí)測(cè)量被測(cè)步進(jìn)電機(jī)的力矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、工作電流、工作電壓等參數(shù)；3） 所有參數(shù)的自動(dòng)采集、激勵(lì)信號(hào)的自動(dòng)施加以及數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和實(shí)時(shí)保存等功能。圖1為步進(jìn)電機(jī)力矩加載系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)。

圖1 步進(jìn)電機(jī)力矩加載裝置方案設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram for design scheme of stepping motor torque loading device

步進(jìn)電機(jī)力矩加載裝置主要由機(jī)械連接系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分組成，機(jī)械連接部分主要完成磁粉制動(dòng)器的均勻化處理和制動(dòng)力矩的傳輸，電氣控制系統(tǒng)主要完成制動(dòng)力矩的輸出控制和步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度、工作電參數(shù)的讀取。

1.1 機(jī)械連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)磁粉制動(dòng)器的磁粉性能穩(wěn)定化、均勻化，獲得較高精度的制動(dòng)力矩，同時(shí)為了測(cè)試到步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，設(shè)計(jì)了一套可在測(cè)試前均勻磁粉的機(jī)械連接系統(tǒng)，其原理如圖2所示：機(jī)械連接系統(tǒng)由磁粉制動(dòng)器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、角度測(cè)量裝置、輔助電機(jī)等組成，目前常用的角度測(cè)量裝置包括角度電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、角度編碼器等，角度電位器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍廣，但是分辨力有限，存在接觸摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)的角度電位器分辨率僅為0.1°。旋轉(zhuǎn)變壓器抗震能力和溫度特性極佳，因而其在惡劣環(huán)境的工作能力遠(yuǎn)勝于普通編碼器，但是旋轉(zhuǎn)變壓器返回值是模擬量，精度略差，角度編碼器體積小、頻響高、分辨率高。考慮到力矩加載裝置的使用環(huán)境和精度要求，角度測(cè)量裝置選擇了海德漢的角度編碼器ERN180，其分辨率達(dá)到了13″。機(jī)械連接系統(tǒng)的連接方式為：磁粉制動(dòng)器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在滑軌工作臺(tái)上，角度編碼器裝配在被測(cè)步進(jìn)電機(jī)延長(zhǎng)軸上，并與輔助電機(jī)固定在回轉(zhuǎn)平板上，回轉(zhuǎn)平板可以在轉(zhuǎn)動(dòng)基座上旋轉(zhuǎn)。力矩加載系統(tǒng)在使用前，首先轉(zhuǎn)動(dòng)滑軌工作臺(tái)上的轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使滑軌工作臺(tái)向回轉(zhuǎn)平板反方向移動(dòng)，斷開轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與角度編碼器的連接，回轉(zhuǎn)平板與轉(zhuǎn)動(dòng)基座相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輔助電機(jī)一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器輸出端時(shí)，將鎖緊手柄吊緊，使回轉(zhuǎn)平板固定到轉(zhuǎn)動(dòng)基座上，利用聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和輔助電機(jī)同軸連接，并通過(guò)程控電源輸出勵(lì)磁電流控制磁粉制動(dòng)器輸出制動(dòng)力矩，當(dāng)勵(lì)磁電流與輸出制動(dòng)力矩基本呈線性關(guān)系時(shí)，認(rèn)為磁粉制動(dòng)器形成磁粉鏈，完成了磁粉制動(dòng)器的均勻化處理。

圖2 機(jī)械連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram for design of mechanical connection system

1.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.2.1 主控制器單元

電氣控制系統(tǒng)的主控制器單元選擇研華SYS-4U610型的PCI工控機(jī)，工控機(jī)利用485總線采集電參數(shù)采集儀和角度數(shù)顯表讀取的電機(jī)供電電壓、電流值和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度值，控制程控電源輸出激勵(lì)電流，調(diào)整磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)力矩大小，通過(guò)工控機(jī)的PCI采集卡連接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)接口，將當(dāng)前測(cè)量力矩值實(shí)時(shí)顯示到屏幕上。

1.2.2 參數(shù)采集儀表及控制儀器

參數(shù)采集儀表包括電參數(shù)采集儀、角度數(shù)顯表和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，電參數(shù)采集儀選用蘭陵機(jī)電的AMA-5，采用485總線方式與PCI工控機(jī)相連，在對(duì)步進(jìn)電機(jī)加載制動(dòng)力矩時(shí)，電參數(shù)采集儀實(shí)時(shí)采集電機(jī)的工作電壓和工作電流，監(jiān)測(cè)步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)是否正常。

角度數(shù)顯表選用海德漢的ND287，與角度編碼器ERN180配合使用，角度編碼器測(cè)得步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度后，角度數(shù)顯表顯示當(dāng)前角度值并通過(guò)485總線將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇CI工控機(jī)上。

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集磁粉制動(dòng)器的輸出制動(dòng)力矩，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)力矩加載精度要求高，所以轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器選用蘭陵機(jī)電的ZJ-50B，對(duì)實(shí)際應(yīng)用，測(cè)量誤差僅為±0.05%F·S，測(cè)量到的轉(zhuǎn)矩值通過(guò)485總線送往PCI工控機(jī)。

控制儀表是程控電源，程控電源作為磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)輸出單元，通過(guò)輸出不同的激勵(lì)電流控制磁粉制動(dòng)器輸出不同的制動(dòng)力矩，電流與輸出力矩呈近似線性關(guān)系。

2 力矩加載系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 模糊PI算法程序

力矩加載系統(tǒng)軟件由控制算法程序和上位機(jī)顯示軟件組成。控制算法程序采用模糊PI控制算法，實(shí)際力矩值與設(shè)定值的差值e和差值變化率ec作為模糊控制器的輸入，將輸入精確量進(jìn)行模糊化處理后進(jìn)行模糊推理，對(duì)模糊推理得到的模糊集合進(jìn)行反模糊化處理得到輸出參數(shù)ΔKp和ΔKi，將輸出參數(shù)與上周期的Kp和Ki相加，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PI參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，PI控制器根據(jù)調(diào)整的PI參數(shù)調(diào)節(jié)程控電源的輸出電流大小，從而改變磁粉制動(dòng)器的輸出力矩值，圖3為模擬PI控制結(jié)構(gòu)圖[4]。

圖3 模糊PI控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Diagram of fuzzy PI control structure

2.1.1 精確值模糊化

力矩加載系統(tǒng)為二輸入二輸出模糊控制器，需要對(duì)輸入的精確值進(jìn)行模糊化處理，力矩輸出誤差的e的基本論域?yàn)?[-5 N·m，5 N·m]，E的模糊集合的量化等級(jí)為X={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，e的量化因子Ke見式（1）。

力矩輸出誤差變化率ec的基本論域?yàn)?[-5，5]，EC的模糊集合量化等級(jí)為Y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，ec的量化因子Kec見式（2）。

ΔKp和ΔKi的基本論域?yàn)?[-12，12]，輸出量Up和Ui的模糊集合量化等級(jí)均為 {-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，其量化因子Kpu和Kiu分別見式（3）和式（4）。

模糊化的目的是將精確的輸入量轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的模糊條件語(yǔ)句。在轉(zhuǎn)換之前必須規(guī)定其輸入輸出語(yǔ)言變量的語(yǔ)言詞，根據(jù)系統(tǒng)的輸入量和輸出量的量化等級(jí)范圍，將輸入、輸出量統(tǒng)一選擇為NB(負(fù)大)、NM (負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZO (零)、PS(正小)、PM (正中)、PB (正大)7個(gè)語(yǔ)言詞，所以，語(yǔ)言變量論域上的模糊集合E，EC，Up，Ui為 {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}[5]。

模糊語(yǔ)言和量化因子確定后，利用式（5）完成量化計(jì)算：

式中：K為量化因子；ei為精確值，Ei為基本論域上的量化等級(jí)值。找出量化等級(jí)值最大隸屬度對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值所決定的模糊集合，該模糊集合代表了精確值ei的模糊化。

根據(jù)確定的模糊變量的語(yǔ)言詞、模糊集合量化等級(jí)確定輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)如圖4所示，其中，所有模糊集合采用三角函數(shù)[6]。

圖4 輸入、輸出變量隸屬定義Fig.4 Membership definition of input and output variables

2.1.2 模糊推理規(guī)則設(shè)計(jì)

根據(jù)力矩加載控制的專家經(jīng)驗(yàn)和PI控制器的數(shù)字規(guī)律，得到的控制規(guī)則可以用語(yǔ)言表述為：

1） 當(dāng)力矩加載系統(tǒng)的力矩差值e較大時(shí)，應(yīng)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取較大的比例系數(shù)Kp，同時(shí)為了減少系統(tǒng)的超調(diào)，應(yīng)選取較小的積分系數(shù)Ki。

2） 當(dāng)力矩加載系統(tǒng)的力矩差值e較小時(shí)，為了防止系統(tǒng)的超調(diào)，需要減少比例系數(shù)Kp，同時(shí)，為了消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，應(yīng)選用較大的積分系數(shù)Ki。

3）當(dāng)力矩加載系統(tǒng)的力矩差值變化率ec較大時(shí)，力矩加載系統(tǒng)需要加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，增大比例系數(shù)Kp，并減少積分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響，選取較小的積分系數(shù)Ki，當(dāng)力矩加載系統(tǒng)的力矩差值變化率ec較小時(shí)，取較小的比例系數(shù)Kp和較大的積分系數(shù)Ki。

4） 當(dāng)力矩加載系統(tǒng)的力矩差值e和力矩差值變化率ec中等大小時(shí)，比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki取值需適中，保證系統(tǒng)的響應(yīng)并提高系統(tǒng)的無(wú)差度。

5） 在調(diào)節(jié)過(guò)程中為了防止出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，采用了抗積分飽和法，當(dāng)控制進(jìn)入積分飽和區(qū)后，不再進(jìn)行積分累加，只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)行；

由以上力矩加載系統(tǒng)的一般控制規(guī)則和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證共總結(jié)出來(lái)49條模糊推理規(guī)則，模糊推理語(yǔ)句采用IF E isA and EC is B THEN U is C形式[7]，表1和表2為力矩加載系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則表。

表1 力矩加載系統(tǒng)ΔKp模糊控制規(guī)則表Tab.1 ΔKpfuzzy control rule for torque loading system

表2 力矩加載系統(tǒng)ΔKi模糊控制規(guī)則表Tab.2 ΔKifuzzy control rule for torque loading system

2.1.3 輸出值模糊判決

對(duì)輸出值進(jìn)行模糊判決實(shí)際上是對(duì)通過(guò)模糊推理得到的模糊集合進(jìn)行清晰化，得到精確的控制量，對(duì)輸出模糊集合的解模糊判決方法采用加權(quán)平均法，利用論域中的每個(gè)元素xi(i=1，2，…，n)，將它作為待判決輸出模糊集合U的隸屬度函數(shù)μU(xi)的加權(quán)系數(shù)，即取乘積xiμU(xi)(i= 1，2…，n)，再計(jì)算該乘積和對(duì)于隸屬度和的平均值xo[8]，計(jì)算公式如式（6）所示。

式中：xi是模糊輸出的一個(gè)語(yǔ)言變量；μU(xi)是xi對(duì)應(yīng)的隸屬度。

最后，由語(yǔ)言變量控制量變化ΔKp和ΔKi的賦值表查到論域元素xo的對(duì)應(yīng)精確量，其精確量就是實(shí)際加到被控過(guò)程上的控制量變化，圖5和圖6為ΔKp和ΔKi的模糊控制查詢圖。

圖5 ΔKp模糊控制查詢表Fig.5 ΔKpstructure diagram of fuzzy control

圖6 ΔKi模糊控制查詢表Fig.6 ΔKistructure diagram of fuzzy control

利用圖5和圖6完成ΔKp和ΔKi的查詢后，將查到的數(shù)據(jù)分別乘以輸出量化因子Kpu和ΔKiu，便得到了最終的PI控制參數(shù)，完成了參數(shù)輸出。其中，根據(jù)實(shí)際加載要求和傳感器采集速率等因素，設(shè)定模糊PI控制周期為0.5 s。

2.2 上位機(jī)顯示軟件

上位機(jī)顯示軟件主要完成制動(dòng)力矩值、電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度值、電機(jī)工作電壓值、電流值等采集量值的顯示、保存和打印等功能，圖7為上位機(jī)顯示軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖7 上位機(jī)顯示軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of PC display software

儀器控制部分通過(guò)控制電機(jī)控制器完成對(duì)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、方向的控制，并控制程控電源改變力矩值，數(shù)據(jù)采集部分通過(guò)讀取角度數(shù)顯表、電參數(shù)采集儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的回傳值顯示電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度值、電機(jī)工作電流值、電壓值及輸出力矩值等參數(shù)，數(shù)據(jù)管理部分實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的保存、查詢、生成報(bào)表等功能。力矩加載系統(tǒng)軟件操作過(guò)程為：首先通過(guò)軟件設(shè)置初始的PI參數(shù)，并通過(guò)恒轉(zhuǎn)矩選項(xiàng)輸入目標(biāo)力矩值，啟動(dòng)測(cè)量過(guò)程后，軟件通過(guò)模糊PI算法調(diào)節(jié)程控電源激勵(lì)電流值進(jìn)而改變輸出力矩值，同時(shí)，軟件將當(dāng)前采集的力矩值、電機(jī)工作電流值、電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)測(cè)量過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)保存到SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于以后的查詢和報(bào)表生成[9]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 力矩加載測(cè)試

液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)正常工作時(shí)力矩加載范圍為10 N·m～25 N·m，實(shí)驗(yàn)選取10 N·m，20 N·m和25 N·m 3個(gè)點(diǎn)作為力矩輸出測(cè)試點(diǎn)，分別采用手動(dòng)加載、傳統(tǒng)PI控制加載、模糊PI控制加載三種方式，測(cè)試電機(jī)為XX-XXA型液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)，圖8為3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的力矩-時(shí)間曲線圖。

根據(jù)圖8和測(cè)量數(shù)據(jù)可得到每個(gè)力矩測(cè)試點(diǎn)的三種控制方法允差計(jì)算表，計(jì)算表如表3所示。

通過(guò)上述分析可得，在對(duì)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)加載范圍內(nèi)，采用模糊PI控制全量程輸出允差最大為0.3%，較傳統(tǒng)PI控制方式和手動(dòng)控制方式輸出穩(wěn)定性大大提高，能精確的模擬步進(jìn)電機(jī)組件的實(shí)際工況。

圖8 恒力矩輸出響應(yīng)曲線Fig.8 Curves of constant torque output

表3 不同力矩加載方式允差計(jì)算表Tab.3 Tolerance calculation of different torque loading modes

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)試

采用電機(jī)控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖，步進(jìn)電機(jī)接收到脈沖序列后轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度值，利用力矩加載裝置的角度編碼器讀取步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值，根據(jù)電機(jī)實(shí)際工況和測(cè)試要求，選取0.999°，30°，90°和180°4個(gè)角度值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)見表4。

表4 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)量表Tab.4 Measured values of motor rotation angle

由上表數(shù)據(jù)計(jì)算可得，當(dāng)設(shè)定值為0.999°，30°，90°和180°時(shí)，測(cè)量重復(fù)性分別為1×10-3，1×10-4，2.2×10-5和1.67×10-5，測(cè)量重復(fù)性較好，力矩加載系統(tǒng)能較好的完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度值的測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)用步進(jìn)電機(jī)力矩加載系統(tǒng)通過(guò)回轉(zhuǎn)平板和轉(zhuǎn)動(dòng)基座配合實(shí)現(xiàn)了加載前磁粉制動(dòng)器的磁粉的均勻化，并結(jié)合模糊PI控制算法對(duì)輸出制動(dòng)力矩值實(shí)時(shí)的修正，使輸出力矩值精度大大提高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，步進(jìn)電機(jī)力矩加載系統(tǒng)具有操作自動(dòng)化、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，輸出制動(dòng)力矩滿足液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)測(cè)試需求，只需增加電機(jī)接口匹配工裝，力矩加載系統(tǒng)便可推廣至其他步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)加載、控制器性能驗(yàn)證等場(chǎng)合，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

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（編輯：陳紅霞）

Design of stepper motor torque loading system for LOX/kerosene engine

ZHAO Hua,CHANG Ying
（Xi’an Aerospace Measurement and Test Research Institute,Xi’an 710100,China）

The design of the torque loading system of stepper motor for liquid oxygen and kerosene engine is introduced in this paper.The structure,hardware and software design of the motor torque loading system taking magnetic powder brake as the loading core are described.The fuzzy PI control algorithm of the torque loading system is elaborated.The fuzzification and de-blurred processing of the PI control parameters are performed.The fuzzy inference rule is drawn up.The dynamical adjustment ofPIcontrol parameters for the torque loadingsystem was achieved.The loading accuracy of the stepping motor torque loading system was improved.The practical application proves that the developed motor torque loading system can realize the simulation loading and parameter measurement of the motor used in LOX/kerosene engine and meet the testing requirements of the motor.

LOX/kerosene engine;stepper motor;torque loading system;magnetic powder brake

V434-34

A

1672-9374(2017)01-0059-07

2016-10-08；

2016-11-02

趙華（1987—），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)量測(cè)試技術(shù)